纳米晶体残留菌株和密度层增强进化先进的鱼清肠骨的抗故障能力
Katrein Sauer1, Andreia Silveira1, Vanessa Schoeppler2
1Department for Operative, Preventive and Pediatric Dentistry, Charité - Universitätsmedizin Berlin, Aßmannshauser Straße 4-6, 14197 Berlin, Germany.
Acta biomaterialia
|March 21, 2024
概括
北方鱼的骨头非常强壮,并且由于其独特的分层结构和残余压缩菌株而具有抗损伤能力. 这种自然设计使它们的轻量级清洁骨头能够承受重复的养压力,而无需进行生物修复.
科学领域:
- 生物材料科学 生物材料科学
- 相对生物力学比较
- 材料科学 材料科学 材料科学
背景情况:
- 北方 (Esox lucius) 具有轻量级,缺乏骨质细胞的骨,对于养至关重要.
- 清肠骨对于部功能至关重要,在养期间承受重复的高冲击负荷.
- 了解这些骨的弹性可以为抗故障合成材料的设计提供信息.
研究的目的:
- 为了研究北方的骨干的结构和机械特性.
- 阐明其特殊的耐损坏性和耐故障性背后的机制.
- 探索自然进化过程如何赋予无骨细胞骨中的弹性.
主要方法:
- 使用X射线,电子和光学成像进行多尺度表征.
- 在水合和干燥的骨样本上进行机械测试 (斯模量,屈服应力).
- 分析微观结构特征,包括原纤维排列和矿物密度变化.
- 在矿物纳米晶体内测量残留菌株.
主要成果:
- 清水体呈现出异构的分层结构,矿物密度在毫米和微米尺度上有差异.
- 化骨的扬模量为3-9 GPa,屈服应力为~40 MPa,在干燥时增加到>180 MPa.
- 干燥诱导矿物晶体中的压缩残留菌株 (~0.15%),增强强度并导致脆性骨折.
- 波形原纤维和纳米级压力应力有助于整体结构稳定性.
结论:
- 松鼠的弹性源于异型微观结构设计和纳米级残余应力的结合.
- 这种无骨细胞骨可以在没有生物修复机制的情况下实现显著的损伤耐受性.
- 大自然在生物复合材料中的策略为设计强大的合成材料提供了宝贵的见解.
相关概念视频
01:24Microbial Corrosion
Microbiologically Influenced Corrosion (MIC) is a significant form of material degradation caused by the metabolic activities of microorganisms. This phenomenon poses substantial challenges across various industries, including oil and gas, maritime, and water treatment sectors.MIC occurs when microorganisms, such as bacteria, archaea, and fungi, colonize metal surfaces, forming biofilms that alter the local electrochemical environment. These biofilms can lead to the production of corrosive...
01:24iChip
The cultivation of environmental microorganisms has long been hindered by the inability to replicate complex native conditions in vitro. The isolation chip (iChip) addresses this limitation by facilitating the growth of previously uncultivable microorganisms through in situ incubation. Designed for high-throughput microbial cultivation, the iChip comprises hundreds of microchambers, each capable of housing a single microbial cell. These microchambers are loaded with a mixture of molten agar and...